CT系统高级扫描方式的图像质量测量方法*

周锡明 王禹鑫 张 弛 任 烨 蔡 彪

医用X射线计算机断层扫描(X-ray computed tomography,CT)系统从20世纪70年代发明至今,经历了多个快速发展的阶段,从单排步进式头部专用CT进化为多排螺旋全身CT,扫描时间从数分钟进化到数秒钟[1].CT的硬件包括球管、探测器、动力系统、控制系统、数据传输和重建等均有了巨大的技术进步,其算法和软件也在不停的发展之中.重建算法经历了代数重建技术(algebraic reconstruction technique,ART)、滤波反投影(filter back projection,FBP)算法和迭代重建(iterative reconstruction,IR)算法,到目前的人工智能(artificial intelligence,AI)重建算法[2-4].扫描方式上也有多种创新发明,从最初的单排步进轴扫方式,发展到现在的大锥束螺旋、心脏门控扫描及双能扫描等[5].在数据处理的算法上,也针对不同的图像伪影的成因,发展了各种伪影消除算法,包括骨伪影、散射伪影、金属伪影以及低信号伪影校正算法等等[6-7].然而,CT图像质量和系统性能的评定标准却相对更新缓慢.

目前,国家标准"X射线计算机体层摄影设备通用技术条件"(YY/T 0310-2015)[8]中的图像质量测定方法只是针对CT扫描系统的基本图像参数进行了定义,并未针对CT扫描中的高级功能进行图像质量的评估.在国家标准"X射线计算机体层摄影设备通用技术条件"中,对图像质量检测部分中推荐的模体,包括业界广泛使用的Catphan模体均为圆柱体,无法用于评估CT扫描系统中自动曝光控制(automatic exposure control,AEC)的有效性.对于低剂量扫描,目前的研究多集中在对图像质量评价的方法上,而使用的模体大都属于小型模体[9].在CT的辐射剂量低到一定程度后,图像中会出现光子不足伪影,因此小型模体并不能模拟CT系统在低剂量下扫描患者的真实情况.为此,本研究针对AEC、低剂量和双能扫描的3个高级扫描方式设计一种椭圆模体,为CT用户和监管部门对CT系统的高级扫描方式的性能评估提供参考.

1 CT系统高级扫描技术

1.1 CT扫描系统AEC

AEC是针对患者的体型,在扫描过程中动态改变曝光电流的一种技术.如果被扫描部位是类似于椭圆形状,如肩膀或者胯部,在最终的图像噪声中,来自于长轴方向的扫描数据中的噪声将会成为主要来源.被扫描物体在病床移动方向上(Z轴方向)具有较大的尺寸变化,当头颈部或胸腹部连续扫描时,如果球管的曝光电流保持恒定,则在Z轴方向上图像的噪声将出现较大的不均匀性.AEC是根据被扫描物体形状(一般通过定位像来估计)来计算出在各个方向上的衰减长度,然后根据长度来决定对应方向上的电流强度.在衰减长度大的方向增加电流强度;相反再衰减长度小的方向降低电流强度.

1.2 低剂量扫描

CT等医疗放射成像设备目前已经成为公众受到的辐射的主要来源,约有50%的辐射剂量来自于医疗成像设备,并且有逐年上升的趋势[10].医疗成像设备对于临床诊断具有其他设备无法替代的意义,因此在医院诊疗中,尤其在儿科中,影像设备中尽可能的低剂量原则(as low as reasonably achievable,ALARA)的概念也越来越受到重视[11].随着新的图像重建技术的出现,包括AI在医疗诊断上的进展,在肺部筛查等特殊的应用领域中超低剂量的扫描方式开始出现[12-14].这些扫描方式不仅仅是单纯地把扫描协议中的剂量降低,而是与高级的预处理、图像重建以及图像识别的算法相结合,在给患者尽可能低的辐射剂量的前提下,针对特定的应用提供有用的诊断信息.

1.3 双能扫描

双能CT扫描的概念在CT被发明后不久被提出[15].双能CT利用不同物质对不同能量的X射线的吸收系数有差别原理,对同一扫描物体进行不同X射线能量下的扫描,从而能达到区分被扫描物体中不同物质目的.目前,各主要品牌的双能扫描实现方式有很多种,包括西门子的双源双探测器方式、GE的快速切换方式和飞利浦的双层探测器方式等[16-18].各品牌的双能扫描方式各有优缺点,双能CT扫描的最终图像一般都会重建为单能图,物质分解图,或者原子序数图等表现形式.这些双能图像的准确性目前并无统一的国家标准来进行评估.虽然有些模体的供应商提供一些已知化学成分的模体,如Catphan700中的CTP682就提供了水、有机玻璃、骨、特氟龙等材料,但是这些物质的化学成分和一般双能重建使用的基物质对(水和碘)相差较大,导致理论值的计算与产品中采用的扫描技术相关.针对双能扫描,提出一种简单易行的办法对其物质分解的准确性进行评估.

2 椭圆模体设计

2.1 椭圆模体结构

根据自动曝光控制和低剂量扫描方式的特点,设计椭圆形的模体.模体的长轴为35 cm,短轴为25 cm,材料为有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA).椭圆模体的中心为20 cm空心圆柱,便于放置厂商自带的质量保证(quality assurance,QA)模体或Catphan模体进行图像质量指标的测量.在长轴的两端,各设置2 cm直径的圆孔,放置各种自定义材料做成的圆棒,如铝棒、铁棒及特氟龙棒等,以方便放入装有各种溶液的试管.图像质量指标的测量由Catphan500模体完成.椭圆模体设计见图1.

图1 椭圆模体设计示意图

2.2 椭圆模体性能

模体设计成椭圆形状,其目的是为了使AEC在扫描中起作用,且椭圆模体更符合临床上患者的体型特征,能更好地模拟低剂量扫描下对图像质量的实际影响.

对于双能扫描的测试,通过使用配制的1%、2%、4%和10%的4种不同质量浓度的碘化钾溶液进来行测量,而不是临床上的CT增强剂溶液,其原因是:①CT增强剂虽然主要成分的分子式是已知的,但是溶液中其他物质的成分往往生产厂商并不提供;②商业化CT增强剂产品中,有效成分的浓度一般都有误差,有的多达10%.使用CT增强剂溶液研究双能CT扫描的准确性时,无法准确计算理论值.而碘化钾并非管制化学品,易溶于水,纯度一般都在99%以上,且碘化钾溶液的密度和温度的关系也容易计算[19].使用碘化钾来配置含碘溶液,其误差来源很少.若使用一次配制的碘化钾溶液>100 ml,很容易将碘化钾溶液的精度控制在<0.001 g/ml.计算4种溶液在温度t(℃)下的质量密度ρ(g/cm3)为公式1:

式中m为每单位重量水中的物质摩尔浓度,单位为mol/kg.

在以水和碘这两种物质为基物质的4种浓度溶液,通过物质分解得到的理论密度见表1.

表1 不同质量浓度下碘化钾水溶液25 ℃下的质量密度和水基碘基物质分解密度(mg/cm3)

2.3 椭圆模体测试方法

选择3个不同品牌的CT产品(品牌A、B、C)进行图像质量测试,分析在AEC、低剂量和双能扫描3种高级扫描模式下椭圆模体对图像质量的影响.3个不同品牌CT分别覆盖高中低端的CT产品,品牌A为高端256排的CT,品牌B为中端32排CT,品牌C为低端16排CT.其中,品牌A和B的CT产品中有双能功能,品牌C的16排CT不具备双能.

测试的图像质量指标选用国家标准"X射线计算机体层摄影设备通用技术条件"(YY/T 0310-2015)中规定的CT值的准确性、均匀性以及层厚,测试方法均遵守标准中的规定:①水的CT值均匀性≤±4 HU;②空气的准确性为(-1000±10)HU,水的准确性为(0±4)HU;③切片层厚>2 mm时为1.0 mm,1~2 mm时为±50%,<1 mm时为±0.5 mm.对于双能扫描,使用碘化钾溶液来测试品牌A和B的双能扫描中经过物质分解以后的水基和碘基图的密度值,并与理论值进行比较.

3 椭圆模体测试结果

3.1 AEC测试

自动曝光测试采用常规的胸部扫描协议,管电压120 kV,管电流130 mA,转速0.75 s/360°,螺距1.0.每台CT测试4次并取平均值.在测量过程中空气的测量选取远离模体的感兴趣区域(region of interest,ROI),水模的中心和3、6、9、12点位置的ROI的选取遵循国家标准(YY/T 0310-2015)中的规定,即在距离模体边缘大约1 cm处,选取一个直径大约是2 cm的圆形ROI进行测量,中心ROI与周围4个ROI的CT值之差的最大值为均匀性结果(见图2、图3和图4).

实验结果显示,在AEC打开并使用椭圆模体的情况下,各品牌的CT值准确性、均匀性和切片层厚均在国家标准[8]的规定范围内.需要指出的是虽然品牌C的水CT值在3、6、9点位置超出了4 HU的规定范围,但是水的CT值准确性是在图像中心测量的,因此品牌C的结果同样符合标准.

图2 各ROI选取的位置示意图

图3 不同品牌的CT系统在AEC打开时的CT值准确性和均匀性测试结果

图4 不同品牌的CT系统在AEC打开时的层厚测试结果

3.2 低剂量测试

低剂量图像质量测试中使用了肺部筛查协议中常用的扫描协议:管电压120 kV,管电流30 mA,转速0.8 s/360°,螺距1.35[13];同样每台CT测试4次并取平均数据.

在低剂量打开并使用椭圆模体的情况下,各品牌产品的CT值准确性、均匀性和切片层厚均在国家标准[8]的规定范围内.因此,可以表明椭圆模体在低剂量扫描模式下,对图像质量研究的影响不大,见图5和图6.

图5 不同品牌的CT产品在低剂量扫描时的CT值准确性和均匀性测试结果

图6 不同品牌的CT产品在低剂量扫描时的层厚测试结果

3.3 双能测试结果

双能扫描协议选取了品牌A和B提供的头部协议,同样每台CT测试4次并取平均.在使用椭圆模体时,两个品牌的双能扫描仍然能满足图像准确性、均匀性和层厚的要求.

在两个品牌的CT产品上分别测量的碘化钾溶液的物质分解密度值.两个CT产品的水/碘密度和理论值都存在一定程度的偏差,品牌A的结果在低浓度时碘密度过高,而在高浓度时水密度过高,表明其物质分解和碘化钾浓度相关;品牌C的结果与理论值更吻合,但是碘密度总体偏高,存在一个系统偏差.测试结果证明,不同品牌的CT产品之间的物质分解结果存在差异,应该与硬件扫描方式和算法有关系.品牌A和品牌C的物质分解结果和理论值的误差均在±20%以内(见图7、图8和图9).

图7 不同品牌的CT产品在双能扫描时的CT值准确性和均匀性测试结果

图8 不同品牌的CT产品在双能扫描时的层厚测试结果

图9 品牌A和品牌C对不同质量密度的碘化钾物质分解结果

4 讨论

本研究测试结果显示,在标准测试模体的基础上添加椭圆形模体,CT值的准确性、均匀性及层厚的3项指标,在AEC、低剂量或者双能扫描下3个不同品牌的CT产品仍能满足国家标准.使用低剂量时,3个CT产品的层厚指标都有不同程度的下降,表明在低剂量扫描时各产品的数据处理算法中均涉及探测器Z方向(沿病床的方向)的低通滤波,可能是为了降低低剂量扫描时的噪声和伪影.

以双能扫描物质分解准确度测量为例,本研究设计的椭圆体模可以提供对高级扫描功能的性能指标在不同CT产品之间的横向比较提供一个标尺.利用椭圆体模可以分别测量在关闭和打开AEC时,达到相同的图像质量(相同的信噪比)时需要的辐射剂量,从而在不同的品牌和不同的产品间提供固定的参考依据.

5 结论

本研究设计的一种新椭圆模体作为目前CT系统图像质量测试模体的补充,以方便研究CT系统在AEC、低剂量或者双能扫描中的图像质量.在不同扫描技术下的实验验证了该椭圆模体并不会造成CT图像质量指标超出国家硬性规定的标准范围.简单易行的双能CT物质分解准确性的测量办法通过实验进行了验证.

对于各产品中厂商自行规定的噪声,高低对比度分辨率其他图像质量指标有待进一步研究,这些指标会随着扫描方式的变化而改变.本研究设计的椭圆模体,可以通过与Catphan等模体的配合应用于对各种高级扫描功能中的各种图像质量参数测量.